‘Развитието на ‘зелената” енергетика, критично важно за отказа от въглеродно гориво, се сблъсква със сериозен проблем при транспортирането на газове. Под налягане в тръбите водородът създава мощни колебания, които рязко увеличават риска от изтичане. Традиционните подходи за решаване на проблема се оказват неефективни при проектирането на надеждни конструкции за тръбопроводи. Учени от Пермския политех създадоха методика, която позволява проектиране на по-безопасни елементи за водородната инфраструктура. Разработката е уникална и няма аналог в света”, съобщиха от ПНИПУ.
Както поясниха учените, за практическото използване водородът трябва да се достави ефективно и безопасно от производителя до потребителя. Най-перспективният начин за големи обеми и разстояния е транспортиране чрез тръбопроводи. Въпреки това физическите свойства на водорода правят транспортирането по-сложно: той е 7 пъти по-лек от природния газ, затова за неговото изпомпване в тръбопроводите трябва да се поддържа много високо налягане. Това създава друг проблем: когато водородът под високо налягане преминава през тръбопровода, всеки завой и неравност създават мощни вибрации, които се разпространяват по цялата конструкция. Такъв ударен товар води до ‘умора” на метала и увеличава риска от микроповреди. А молекулите на водорода са толкова малки, че лесно проникват през пукнатини, възникнали от вибрациите. И тъй като водородът е взривоопасен при смесване с въздух, дори минимално изтичане създава заплаха за безопасността. Затова за потискане на опасните вибрации в тръбопроводите се използват специални вътрешни прегради – малки метални панели, които частично гасят колебанията на газовия поток.
До момента тези прегради се проектираха на базата на стари проверени решения или прости изчисления, които не отчитаха физическите особености на водорода. Но ако се използват готови решения от тръби за природен газ и се приложат за друг газ, вместо да гасят вибрациите, системата ще се тресе още повече.
Така учените от ПНИПУ стигнаха до създаването на методика, която позволява проектиране на оптимални прегради във водородни тръби. Първо те създадоха модел на участък от тръбопровод с две различни плочи, след което стартираха виртуален експеримент и зададоха необходимото налягане, както в реален тръбопровод.
‘Компютърът проследяваше цялата верига от събития: как газовият поток среща първата преграда, как частично се отразява от нея и частично преминава през отвора. Ние се фокусирахме върху първата преграда, тъй като тя поема основния удар на потока. Сравнявайки трите ѝ състояния – плътна, с малък и с голям отвор – успяхме да видим как се променя собствената ѝ вибрация и коя част от колебанията се предава по-нататък към втората преграда. Това позволи да се разбере как размерът на отворите в първата преграда влияе върху вибрационното натоварване в цялата останала конструкция”, разказа д-р технически науки, декан на аерокосмическия факултет на ПНИПУ Владимир Модорски.
В крайна сметка моделът на учените показа, че наличието на отвори в първата преграда кара тя да вибрира с по-малка сила. В същото време самата енергия на колебанията не изчезва, а просто се предава по-нататък по потока. В този случай втората ‘плътна” плоча, разположена по-нататък по тръбата, ще вибрира два пъти по-силно от първата. Учени стигнаха до извода, че наличието на допълнителна плътна преграда в тръбопровода намалява колебанията в целия участък на тръбопровода два пъти. Следователно за водорода най-ефективното решение е инсталирането не на две, а на три или повече плочи, което позволява постепенно потискане на вибрациите.
‘За да се уверим в достоверността на резултатите, моделът премина строг тест. За целта участъкът от тръбата беше разделен на малки клетки, за да се проследи как се променят налягането и вибрациите в отделните зони. Моделът се стартираше няколко пъти, постепенно правейки тази виртуална ‘мрежа” по-фина и подробна. Когато при увеличаване на мрежата показателите престанаха да се променят, се уверихме, че моделът дава точен резултат на всички нива”, отбеляза аспирантката от катедра ‘Ракетно-космическа техника и енергийни системи” на ПНИПУ Маргарита Серегина.
На практика методиката ще могат да прилагат инженерите, които в специална програма първо ще създадат цифров модел на тръбопровода с зададени параметри на газа и материалите, размери и разположение на преградите. В резултат специалистите ще получат готово решение: колко прегради да се поставят в конкретен участък, дали са необходими отвори и какъв диаметър да имат, както и как точно ще се държат под налягане. В университета отбелязват, че такава методика ще защити оборудването от повреди и значително ще удължи срока на неговата експлоатация.